基于地下水动态监测的司家营铁矿南区防治水措施

左文喆，王斌海，程紫华，陈永理

(1.华北理工大学，河北 唐山 063009；2.河北省地矿局第五地质大队，河北 唐山 063004)

基于地下水动态监测的司家营铁矿南区防治水措施

左文喆1，王斌海1，程紫华1，陈永理2

(1.华北理工大学，河北 唐山 063009；2.河北省地矿局第五地质大队，河北 唐山 063004)

摘要：司家营铁矿南区属国内少见的大水矿床，了解南区水文地质条件是确定安全采掘方案和防水治水的关键，本文利用地下水动态监测结合勘探资料的方法来分析矿区的水文地质条件，通过分析第四系和基岩含水层水位动态特征，分析了第四系下部隔水层隔水能力、地下水径流、通道、含水层补给关系和边界条件，提出第四系下部“天窗”和新河断裂是矿坑导水的重要通道，并针对大贾庄矿段开采提出防治建议。此外，此种分析方法对一些未进行过水文地质试验的矿区更具针对性。

关键词：司家营南区；水文地质条件；地下水动态监测；防水治水

司家营铁矿南区，矿保有铁矿石资源储量145639.65万t，平均品位TFe30.83%，为我国少有的特大型铁矿床[1-4]，且属国内少见的大水矿床，为了更全面了解矿区的水文地质条件[5-7]，在水文地质勘探完成之后，开展了地下水动态监测，通过分析第四系和基岩含水层水位动态特征，认为矿坑充水来源主要来源于第四系下部，且四系下部“天窗”和新河断裂是矿坑导水的重要通道。

1矿区及含水层概况

司家营南区水文地质勘探完成之后，用勘探的水文孔开展了研究区的地下水动态监测，共设监测孔63个，见图1。水位监测频率每月一次，测量仪器采用BXS-200水位计，监测精度为毫米。根据矿体规模、产状不同，以NK25、NK09 、NK10、NK11一线为界，北为田兴铁矿，南为大贾庄铁矿。田兴矿处NK21、NK22、NK24、NK25监测孔界定范围内；田兴矿以南，NK22、NK23、NK25、NK26界定范围为大贾庄矿。

南区矿体赋存于太古界滦县群司家营组变质岩中，均被厚层的第四系滦河冲洪积物覆盖，太古界司家营组地层在不同期次的构造应力和风化作用下，产生一系列浅部—深部裂隙和破碎带，构成了南区基岩裂隙带。基岩裂隙带按成因可划分为风化裂隙带和构造裂隙带，风化裂隙带分布全区，厚度较稳定，连续性较好。其中全分化裂隙带多呈砂土状、土状、高岭土严重，大部分已呈现黏土性质，在裂隙带中是最具隔水意义的。监测孔CK02周围发育的F9～F13叠加断层与NK24-NK12之间的新河断裂，是构造裂隙发育的主要地带。

根据勘探结果，自上而下，将研究区含水层分为三个含水层：第四系松散岩孔隙水含水层，基岩风化裂隙水含水层、基岩构造裂隙水含水层，见图2。

图2　矿区地层分布

第四系含水层由北向南逐渐变厚，以中部稳定黏土为主隔水层，分为上下两个含水层。上部含水层设有监测孔13个；下部含水层设有监测孔12个，主要监测第四系深层水和基岩裂隙水之间的水力联系；基岩裂隙含水层包括风化裂隙和构造裂隙含水层共设监测孔38个，主要监测开采条件下基岩裂隙水流场特征及漏斗扩展情况。

地下水长期动态观测孔63个，平面上控制面积96km2，垂向上控制第四系浅层水头、第四系底部水头、基岩裂隙水头，构成比较完善的三维空间观测系统，全面控制了矿区排水影响范围内不同深度不同层位地下水动态变化。在矿区范围内的补给、径流和排泄区均有代表性监测井，从北向南，均匀布设长观孔，能够控制整个矿区的地下水流场特征。从监测情况来看，所有监测孔的布置基本上控制了司家营田兴和大贾庄铁矿地下开采形成的基岩地下水位降落漏斗。为进一步分析各含水层间的水力联系和充水通道，不同含水层位均布设有监测孔，见表1。NK14、NK08、NK13等监测孔均为导水断裂处的监测孔。总之，在水文地质条件复杂的司家营南区，地下水动态监测孔的布置考虑了地质条件平面和空间特征，在导水断裂和通道处，监测孔也有相应的加密处理，布置情况较合理，为精析南区的水文地质条件和防治水建议的提出提供了良好的基础。

2地下水动态变化

2.1第四系上部水位动态监测特征

司家营铁矿南区处于滦河冲洪积一级阶地中上部，区内第四系浅层水年内波动幅度不大，且在6～9月份之间出现水位高峰，10月份以后开始回落，靠近滦河和新滦河第四系上部水位监测孔相对比其他监测孔水位波动更小，总体上，第四系浅层水位北高南低。

第四系浅层水总体径流方向由北向南，主要受降雨、滦河、农业灌溉等多方面因素控制，其中以降雨影响为主，年内水位变化步调与降雨量保持一致，每年6～9月份水位涨至最高点，10月至次年3月水位大幅回落。地下水动态变化主要表现为径流-入渗-开采型，除此外，在河流两岸附近，第四系浅层地下水与滦河、新滦河地表水联系密切，互为补给，地下水位动态变化与滦河、新滦河水位涨幅步调一致，主要表现为河流渗漏-开采型。

2.2第四系下部水位动态监测特征

第四系下部监测孔其主要目的在于监测矿山开采排水过程中，基岩裂隙水和第四系深层水之间的补给关系和第四系深层水流场、含水层特征。监测数据显示，第四系下部含水层具有明显的分区特性，图3为第四系下部监测孔水文动态，根据动态特征，总共分为三个区域，以下叙述分别以I区、II区、III区代替。

I区以4月份形成的大降深为典型特征，以QCK03、QCK04、QCK09、QCK10、QCK11为代表孔位，区域上分布于大孟庄一带，见图4。4月份大贾庄2#副井发生过突水事故，涌水量可达1400m3/h，2#副井降深456.1m，周围基岩孔CK04、GK04降深33.58m，形成了以2#副井为中心，NNE为主方向的压力释放场，同时，基岩含水层与第四系含水层在垂向上形成很大的梯度差，第四系下部孔水位滞后于基岩孔对岩裂隙水进行补给，表现为水头的突然下降，4月15日在大贾庄2#副井涌水工作面进行了高压灌浆[8]封堵工作，第四系下部监测孔表现为，水头的突然上升，第四系下部水位突然下降、突然上升的特性说明，I区第四系深层水与基岩裂隙水存在直接的水力联系，表现为基岩裂隙水和第四系深层水之间补给和顶托的关系，另一方面也反映出了I区第四系下部黏土层缺失。除此外8月份大贾庄2#副井周围基岩监测孔出现又一次小规模突水事故，平均降深3～4m，同样I区第四系下部监测孔也表现出突然上升、下降的特征。根据4月份和7月份I区垂向观测组(表1)动态监测数据统计，又将I区分为三个亚区，分别以I-1、I-2、I-3表示。

表1　动态监测垂向观测组

I-1以QCK09、QCK11、NK22、NK12为代表孔位，典型特征为第四系深层水与基岩裂隙水降深比值为1：1～2，以下用β表示。

I-2以QCK04、CK04、GK04、CGK04为代表孔位，β为1：3～4。

I-3以QCK03、CK03、GK03、NK19为代表孔位，β为1:6～7。

其分母越小第四系下部补给越充沛，区域上第四系下部含水层垂向上水力联系越通畅。水力联系从强到弱依次为I-1、I-2、I-3。

II区以7月份出现低水位为典型特征，QCK01、QCK02、QCK06、QCK07为代表孔位，区域上分布于田兴铁矿，见图5。7月份田兴南回风井突水时，II区孔的水位响应强烈，周围基岩孔平均降深8～11m，第四系下部孔降深如表2，II区和I区类似，也表现出水位的突然下降和突然上升，6月份开始回落，7月份出现水位低点，8月份水位开始恢复，以上基本特征也反映出II区第四系深层水与基岩裂隙水存在直接的水力联系，β约为1∶10，水力联系要弱于I区，即大贾庄铁矿。

表2　第四系下部孔降深

图3　第四系下部监测动态

图4　I区第四系下部动态

III区以水位呈线性下降为典型特征，QCK08为代表孔位，区域上分布于小阎营—姜庄一带，见图6。第四系深层水的水位变化主要受生活用水和矿山排水影响，但要保证III区水位呈线性下降，影响因素必须是稳定的而且尽量是单因素，由此分析，III区应具备以下基本特征：区域上几乎没有任何补给来源，侧向上与周围第四系下部含水层联系很小；矿山开采对此区除越流外无任何影响；稳定越流条件下，只消耗此区的静储量，也就是说III区只存在稳定的越流，垂向、侧向上存在稳定的隔水黏土层。监测数据显示，预计20年左右III区水位可以降到下部隔水层底板。

图5　II区第四系下部动态

图6　III区第四系下部动态

以上这种分区性差异是由垂向上第四系下部含水层和黏土隔水层相互迭置、犬牙交错造成的，局部形成形似桶状的独立含水层储水系统。

第四系主隔水层之下为第四系深层水，降雨对其影响较小，主要受生活用水和矿山排水影响。地下水动态变化主要表现为侧向径流—开采型，矿坑排水对其影响大，矿坑长期排水引起第四系下部水位普遍下降了3～5m，水位仍保持下降趋势；勘探资料表明，第四系下部隔水层[9]连续性较差，局部缺失形成“天窗”，区内主要分布4个较大的“天窗”，见图1。监测结果显示，I区、II区第四系深层水与基岩含水层间存在直接的水力联系，在开采条件，第四系水对基岩水的补给能力强，这与天窗的分布区域是一致的。

2.3基岩裂隙水动态监测特征

2013年12月开展动态监测以来，随着矿山掘进深度、速度的加大，司家营南区共形成3个基岩裂隙水漏斗，分别为田兴漏斗、新河断裂漏斗、大贾庄漏斗。监测结果显示，田兴漏斗以F9～F13五条断层带为漏斗中心，基岩孔NK13埋深达115m，漏斗形态近似“椭圆形”，长轴呈南北向展布，漏斗区水力梯度为3.2%～11.8%，矿坑长期排水使此区水位进一步下降，漏斗范围逐渐扩展，4月份，除SE向向新河断裂扩展外，漏斗的形态基本固定，西至外围孔NK21新立庄一带；南至NK11-NK17姜庄一带；西至NK01-NK07上伍旗一带；深部开采使漏斗区垂向上的水力梯度进一步加大，垂向水力梯度为7.9%～12.5%，田兴漏斗区基岩裂隙水动态见图7。3月中旬大贾庄2#副井突水，形成以CK04为中心，长轴呈北东-南西向展布的大贾庄漏斗，漏斗呈“椭圆形”，漏斗影响范围，北至NK11-NK17，姜庄一带；南至外围孔NK23，殷庄一带；西至外围孔NK22，小贾庄一带；东至外围孔NK26，薛各营一带。大贾庄漏斗区监测孔动态见图8。

图7　田兴漏斗区动态

图8　大贾庄漏斗区动态

图8中监测孔CGK03、NK12、NK17水位明显比其它孔水位低，此处既受田兴矿采掘影响又受大贾庄采掘影响，分析认为，该区域应为联系田兴漏斗和大贾庄漏斗的侧向通道，图9中圈中所示。5月份动态监测数据显示，大贾庄漏斗可通过新河断裂带影响田兴矿和马城，影响区域和新河断裂方向一致，主要集中在新河断裂的周围监测孔包括马城监测孔SK11、SK12、SK13、SK14。

从监测开始，新河断裂漏斗就已具雏形，1～6月监测数据显示，新河断裂漏斗一直很稳定，但在1～6月份田兴矿深部疏干，使此区具备了新河断裂漏斗发育的条件，表现为NK01～NK07(上伍旗-小刘庄一带)垂向水力梯度逐渐变大，最大可达17%。7～10月份形成了新河断裂漏斗，漏斗内包括监测孔NK01、NK02、NK04、NK05、CK01，漏斗狭长，长轴呈南北向展布。新河断裂漏斗如图9所示。

基岩动态监测中，监测孔NK06、NK07、NK09、NK10、NK24、CK01、CGK01水位动态变化曲线一致性好，均在4月份形成折点，在7月形成水位陡降，这些孔均位于新河断裂周围，应属新河断裂影响区，监测数据表明新河断裂影响区渗透性强，水力连通好，是强导水带，大贾庄矿及田兴矿的采掘均影响其水位动态。图10为新河断裂影响区基岩孔地下水位变化曲线。

图9　9月份南区基岩裂隙水水位标高三维示意图

图10　新河断裂影响区水位动态

对于某一含水系统边界而言，既可作为划分含水系统的依据又可作为预测矿坑涌水量的定解条件[4]。以上动态分析过程中已经指出两条漏斗边界，其一为NK11-NK17，田兴漏斗的南边界和大贾庄漏斗的北边界；其二为NK01-NK02-NK04-NK06-NK07，田兴漏斗的东边界和新河断裂漏斗的西边界。这两条边界上的监测孔水位数据都表现为高水位，此处可作为漏斗边界。除此外还有由司家营南区外围孔NK21-NK26构成的边界，监测动态见图11。明显可以看出除NK24、NK25孔外，曲线波动都较平稳，其中NK23孔波动幅度最小，平均1～2m，其它孔位波动幅度均在5～7m，也就是说受兴、大贾庄采掘影响形成的降落漏斗已经影响到外围孔，但相对其它基岩孔而言，波动幅度很小，可作为司家营南区漏斗边界。NK24、NK25处新河断裂影响带，水位变化同时受田兴和大贾庄采掘影响，水位降深18～19m，根据叠加原理，随着掘进进度的增加，此处的降深会一直增加，并且会表现出两种含水系统的特征，分别为田兴、大贾庄含水系统，因此此处不宜作为漏斗边界。

图11　外围孔水位动态

矿坑长期排水致使矿区一带基岩裂隙水水位整体下降和深部基岩构造裂隙水压力突然释放，上部风化裂隙水以空间渗流形式向排水点汇聚，形成了一定范围的地下水压力释放空间场，随即发展成为基岩裂隙水降落漏斗，降落漏斗形态受优势断裂控制，其中田兴漏斗受F9～F13叠加断层控制，新河断裂漏斗和大贾庄漏斗受新河断裂控制，动态监测数据表明，侧向上新河断裂是联系三漏斗的通道；垂向上“天窗”是联系第四系水和基岩风化裂隙水的通道，构造裂隙带是联系基岩风化带与施工工作面的充水通道[10-12]。基岩地下水主要受矿坑排水影响表现为侧向径流-开采型，其动态变化与矿坑排水量密切相关。

综上所述，第四系上部含水层处主隔水层之上，第四系浅层水对深层水补给微弱，其动态变化主要受降雨影响；第四系下部含水层越流现象和基岩裂隙水顶托作用普遍存在，水力联系较为密切，尤其是“天窗”区，其动态变化多数受控于基岩裂隙水压力，与矿坑涌水量大小相关性很大；基岩裂隙含水层动态受导水通道分布的影响，“构造型”导水通道控制多数基岩孔动态，“天窗型”导水通道控制基岩裂隙水动态的同时，滞后控制I区、II区的地下水动态。

3动态特征的防治水措施

司家营铁矿南区，在带压开采条件下，水文地质条件日趋复杂，采掘环境愈采愈恶化，高水压和高地应力的地质环境逐渐显现，各竖井和巷道突水频率逐渐增加，并且多表现为顶板突水。突水控制因素多，突水机理和类型复杂多变造成防治水措施方案效果不可靠。笔者通过了南区多孔多数据的量化分析，根据其动态特征，大致将南区划分出4个具典型突水特征的区域，分别为田兴、大贾庄、新河断裂影响区和NK10-CK03枢纽区，并针对不同的特点提出防治水措施。

田兴矿动态特征(图7)反映，F9～F13复合断裂及影响带导水作用并不突出，而主要发挥断裂的贮水作用，侧向及垂向补给强度不足，各孔动态特征主要表现为下降，含水层间水压传递不明显。

田兴矿漏斗水位已经降到隔水层底板以下，并与北区地下矿及露天矿开采形成的漏斗融合形成一复合漏斗，由原来的承压转化为无压，后期的田兴矿坑涌水量以第四系下部越流为主，大规模突水事故的可能性减小，但后期随着基岩裂隙水的疏干，水头差逐渐增大，顶托作用削弱，地面沉降和塌陷的危险性增大。另外，北区的开采采用无底柱分段崩落法，这种开采方法形成了第四系补给基岩裂隙水的通道，无形中成为了田兴矿的侧向补给来源，后期这种补给作用也会渐渐突出，因此建议在北区的地下及露天开采应增大地下水的疏干排水能力，为田兴矿巷道的开拓提供更好的开采条件。

大贾庄矿动态特征(图8)反映，基岩裂隙水与第四系下部含水层间水压力传递明显，含水层间水力联系较强，中心区裂隙发育不均匀，侧向补给不足，但垂向上第四系深层水通过“天窗(I区)”补给较强，大贾庄第四系下部和基岩含水层动态一致(图4、图8)，表现出基岩水顶托和第四系含水层补给的特征，监测表明，第四系深层水成为大贾庄矿的主要涌水来源，因此大贾庄矿的安全生产关键在“天窗”区如何防治，尽量防止第四系深层水出现较大的地下水漏斗，但“天窗”区面积较大，地表帷幕对深层水进行截流和降低深层水水头压力均存在较大的施工及经济挑战；另外增加矿坑顶板的预留厚度和加固破碎带的矿坑顶板虽然能降低第四系深层水的强补给，但这样大大降低了产能。因此，对于大贾庄矿防治水的方案有待进一步探讨。

新河断裂影响区动态特征(图10)反映，新河断裂带裂隙发育均匀，连通性好，含水层富水性强，侧向补给好，具有良好的贮水作用。大贾庄2#副井突水，更反映出新河断裂在司家营南区具有重要的导水作用，垂向上是是联系基岩风化裂隙和基岩构造裂隙水含水层的重要通道；侧向上是联系田兴和大贾庄矿的通道，这种作用反映在大贾庄矿突水，水位变化波及全区上，在监测过程中，大贾庄2#副井和田兴新河断裂影响带两个区域的基岩孔水位出现较大降幅的频率较高，均在3～4次，反映竖井掘进过程中，涌水量突增的频率较高。大贾庄2#副井、田兴2#副井的突水量大小受控于新河断裂，突水频率与竖井的掘进进度可能呈正相关，因此，新河断裂影响带和大贾庄中心区是易发生突水事故的危险区域。所以此区避免盲目施工，重要工程应尽量避开新河断裂带，侧向上尽量防止三个矿区的基岩裂隙水通过新河断裂形成连通。

NK10-CK03枢纽区动态特征(图8)反映，田兴矿与大贾庄矿中心区的水力联系枢纽在NK10和CK03孔间，因此，在防治水工作中，重点应在NK10和CK03孔间帷幕注浆，形成连续的防渗墙，阻断新河断裂带与南部富水带间的水力联系，防止重大透水事故的发生。

动态监测表明，第四系水成为矿坑的主要涌水来源，增加了防治水难度，南区的开采一定要坚持超前探水，先治后采，防治结合的原则。

4结论

1)第四系上部整体流向由南向北，南区上部含水层水位几乎不受开采影响，水位变化步调与降雨量保持一致。第四系深层水与基岩裂隙水存在紧密的水力联系，尤其在“天窗”区域，为浅部截流的重点区域。

2)南区共分为三个基岩裂隙水漏斗，两个水文地质单元，受疏干影响，田兴大贾庄漏斗水位已经降到隔水层底板以下，由原来的承压转化为无压，后期的田兴矿坑涌水量以第四系下部越流为主。

3)新河断裂为联系三个基岩裂隙水漏斗的通道，全区基岩孔水位动态受控于新河断裂，大贾庄铁矿一旦开采，在深部形成透水事故，水位变化可波及全区，因此以后的监测重点应往新河断裂影响带和大贾庄一带靠拢，要保证大贾庄矿段顺利开采，要尽量防止以上三个地下水漏斗形成连通，大孟庄一带为重点防治区域。

4)依据动态特征提出4点相关防治水建议：第一，第四系深层水成为矿坑的最终涌水来源，尽量防止形成较大的地下水漏斗；第二，浅层水以截流为主，基岩水以疏干排水为主；第三，“天窗”区防治难度较大，防治方案需要更一步优化；第四，重要的巷道工程要避开新河断裂；NK10-CK03孔间为田兴矿与大贾庄矿水力联系的枢纽区，防治水中要阻断新河断裂带与南部富水带间的水力联系。

5)地下水动态监测在宏观上反映了矿区的水文地质条件，并且一定程度上比水位地质试验反映出的现象和问题更能说明所调查矿区水文地质概况，但这种优势受监测网密度的约束。

参考文献

[1]刘大金，等.河北省滦南县司家营铁矿南区水文地质工程地质补充勘探报告[R].石家庄：华北有色工程勘察院有限公司，2013.

[2]刘大金，等.河北省滦南县马城铁矿水文地质工程地质勘探报告[R].石家庄：华北有色工程勘察院有限公司，2012.

[3]李刚，高谦，王君，等.司家营铁矿南区矿床水文地质条件分析[J].现代矿业，2013(9):45-47.

[4]马耀，高谦，李刚，等.司家营铁矿南区矿床水文地质条件建模探究[J].中国矿山工程，2014(3):35-37，41.

[5]刘大金.河北省滦南县马城铁矿矿床充水因素分析[J].黑龙江水利科技，2012(7):175-176.

[6]刘大金，靳宝.河北某铁矿矿床水文地质条件分析及矿坑涌水量预测[J].地下水，2014(2):164-166.

[7]胥燕辉.马城铁矿地质特征及成因探讨[J].矿床地质，2010(S1):115-116.

[8]荣辉，杨福军，罗士文.司家营铁矿地面预注浆工艺实践[J].河北冶金，2013(1)：94-96

[9]刘汉湖，裴宗平，郑世书，等.带压开采时隔水层的隔水能力研究[J].中国煤田地质，1998(2):42-45.

[10]李刚，杨志强，高谦，等.司家营铁矿南区矿床工程地质与采矿技术条件研究[J].金属矿山，2013(8):11-15.

[11]肖有才，娄源改，蒋丽.浅部截流、深部疏干—平煤集团矿井防治水综述[J].煤炭技术，2005(3):65-67.

[12]宋爱东，郭献章，刘大金.司家营铁矿南区防治水措施初探[J].河北冶金，2013(1):1-4，29.

Water control measures based on groundwater dynamic monitoringin the southern area of Sijiaying iron mine

ZUOWen-zhe1，WANGBin-hai1，CHENGZi-hua1，CHENYong-li2

(1.NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tiangshan063009，China；2.The5thTeamofHebeiGeologyandMineralBureau，Tiangshan063004，China)

Abstract:The southern area of Sijiaying Iron mine belongs to the domestic rare watery deposit.To understand the hydrographical geological condition of the Southern area is the key to determine the safe mining project and water control.The article use the method of combining groundwater dynamic monitoring with exploration data to analyze the hydrological geological conditions in mining area，through the analysis of dynamic characteristics of water level of quaternary and the bedrock aquifer，analyzing Separating Water ability of lower quaternary aquifuge，the groundwater runoff， channel，aquifer recharge relationship and boundary conditions.then，puting forward that the lower quaternary “skylight” and Xin River fracture is an important channel of mine water conduction.And in the light of Dajiazhuang mining，putting forward some control suggestions.In addition，the analysis methods is more targeted to some mine that is not conducted hydrogeological test.

Key words：the southern area of sijiaying；hydrographical geological condition；groundwater dynamic monitoring；water control

收稿日期：2015-06-15

基金项目：河北省自然科学基金项目资助(编号：D2011209071；E2013209328)；唐山市科技计划项目资助(编号：14130245B)

作者简介：左文喆(1969- )，女，河北昌黎人，博士，副教授，主要从事水文地质及环境地质工作。E-mail：zuowenzhej@sina.com。 通讯作者：王斌海(1991-)，男，山西吕梁人，硕士，主要从事地下水资源管理及利用。E-mail:wangbinhaishx@sina.com。

中图分类号：TD824.6

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0091-07